PL240811B1

PL240811B1 - Mikrorezonator WGM

Info

Publication number: PL240811B1
Application number: PL425285A
Authority: PL
Inventors: Dorota Anna Pawlak; Piotr PASZKE; Piotr Paszke; Rafał NOWACZYŃSKI; Rafał Nowaczyński; Andrzej Kłos; Paweł OSEWSKI; Paweł Osewski; Marcin Gajc
Original assignee: Instytut Tech Materialow Elektronicznych; Univ Warszawski
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2022-06-06
Also published as: EP3781982B1; WO2019202560A1; PL425285A1; EP3781982A1

Description

PL 240 811 Β1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mikrorezonator WGM, mający zastosowanie w sensoryce do detekcji własności fizycznych, biologicznych, jako filtry w optycznych liniach światłowodowych.

Fale lub mody WGM zwane tak od skrótu w języku angielskim whispering gallery modes - czyli ślizgowe mody skośne są specyficznym rodzajem rezonansu pola falowego przykładowo akustycznego lub elektromagnetycznego wewnątrz wnęki rezonatora. W wyniku zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia fala rozchodzi się przy powierzchni rezonatora. Zjawisko rezonansu występuje dla takich długości fal, dla których droga optyczna wjednym cyklu stanowi całkowitą wielokrotność długości fali. W takim przypadku zachodzi konstruktywna interferencja. Częstość rezonansowa zależy od geometrii wnęki, a także od stałej dielektrycznej ośrodka w którym rozchodzi się fala i stałej dielektrycznej otoczenia. Efektywność rezonatora, szerokość linii rezonansowych oraz natężenie rezonansowych modów wewnątrz wnęki WGM opisana jest przez parametr dobroci mikrorezonatora - Q. Jest to stosunek energii zmagazynowanej, w mikrorezonatorze do energii traconej wjednym cyklu optycznym i wyraża się wzorem:

IV ^d gdzie: ω_Γ - częstość rezonansowa, W - energia zmagazynowana w rezonatorze, Pd - energia tracona wjednym cyklu, AcoFwhm - szerokość połówkowa piku rezonansowego.

Rezonansowe mody WGM mogą być wytwarzane w rezonatorach o różnym kształcie: sferycznym, toroidalnym, cylindrycznym, dyskowym czy też pierścieniowym.

Elektromagnetyczne mikrorezonatory WGM odznaczają się dużą wartością parametru dobroci Q, wąskimi liniami rezonansowymi, dużą gęstością zgromadzonej energii, wielomodową generacją częstości rezonansowych a także małymi rozmiarami.

Elektromagnetyczne mikrorezonatory WGM mają szerokie zastosowanie praktyczne znane z publikacji A.B. Matsko, V.S, llchenko, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 12, (2006), 15-27. Możliwości aplikacyjne dotyczą interferometrii, spektroskopii, urządzeń do przechowania danych, filtrów w optycznych liniach światłowodowych.

Z publikacji A.M. Armani i in. Science 317, (2007) 783-787, znane są również duże, możliwości ich zastosowań związane z techniką sensorów ciśnienia, temperatury i innych parametrów mechanicznych, a także biosensorów, gdyż rezonatory WGM umożliwiają detekcję analitu nawet na poziomie pojedynczych molekuł.

Z publikacji G. Lin. i in. Micro-Optics (2010), 771622, doi: 10.1117/12.853915, znane jest zastosowanie rezonatorów WGM w technice laserowej, gdyż mają one bardzo niski próg wzbudzenia akcji laserowej. Małe rozmiary pozwalają na łatwą integrację i połączenie wielu rezonatorów wjednym włóknie a w konsekwencji uzyskanie lasera przestrajalnego.

Materiałem dielektrycznym stosowanym do wytwarzania rezonatorów WGM są często szkła nieorganiczne, gdyż są transparentne w widzialnym i podczerwonym zakresie widma, umożliwiają domieszkowanie różnymi metodami, są odporne na deformacje termiczne w zakresie do temperatury mięknięcia.

Z pracy A. Rasoloniaina i in., Sci. Rep., (4), (2014), 4023, doi:10.1038/srep04319, znane są mikrorezonatory domieszkowane jonami ziem rzadkich.

Z pracy J. Yang, L.J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron 12, (2006), 143-147, znane są mikrorezonatory domieszkowane barwnikami organicznymi.

Z pracy S. Pang, R.E. Beckham, K.E. Meissner, Appl. Phys. Lett. (2008), 92(22), 221108, doi: 10.1063/1.2937209, znane są mikrorezonatory domieszkowane kropkami kwantowymi CdSe/ZnS.

Celem wynalazku jest wzmocnienie natężenia modów rezonansowych w rezonatorze WGM, przy jednoczesnym zawężeniu szerokości piku rezonansowego, a tym samym wzrost wartości współczynnika dobroci Q.

Mikrorezonator WGM według wynalazku, charakteryzuje się tym, że w matrycy dielektrycznej o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(s)>0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR, zawiera co najmniej jeden rodzaj nanocząstek metalicznych lub półprzewodnikowych o ujemnej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej: Re(s)<0 i co najmniej jeden rodzaj luminescencyjnych półprzewodnikowych lub perowskitowych kropek kwantowych.

Jako, matrycę dielektryczną korzystnie zawiera niskotopliwe szkło nieorganiczne, najkorzystniej szkło fosforanowe a zwłaszcza szkło o wzorze NasALPsO^ zwane w skrócie NAP lub szkło

PL 240 811 B1 o wzorze Na3B2P3Oi3 zwane w skrócie NBP lub szkło tellurowe o składzie: 80%mol.TeO210%mol.ZnO-10%mol.Na2CO3 w skrócie TZN.

Jako nanocząstki w matrycy korzystnie zawiera nanocząstki metaliczne lub półprzewodnikowe o niskich stratach optycznych, czyli urojonej części przenikalności elektrycznej lm(ε)<30 F/m, oraz o temperaturze topnienia niższej od temperatury topnienia matrycy, najkorzystniej nanocząstki srebra, zwłaszcza o średnicy 10-50 nm.

Jako kropki kwantowe w matrycy zawiera korzystnie kropki kwantowe z materiału półprzewodnikowego: CdTe lub CdSe/ZnS, lub z perowskitów CsPbX3, gdzie X = Cl, Br, I. Średnica kropek półprzewodnikowych korzystnie zawiera się .w granicach 1-8 nm, a perowskitowych 1-15 nm.

Mikrorezonator WGM według wynalazku zawiera korzystnie w matrycy dielektrycznej 0,2-0,6% wag. kropek kwantowych oraz 0,1%-1% wag. nanocząstek metalicznych. Mikrorezonator WGM korzystnie ma kształt sferyczny, a średnica mikrosfer wynosi 1-300 μm.

Mikrorezonator według wynalazku jest mikrorezonatorem aktywnym, w którym zachodzi proces wewnętrznego wzmocnienia fali elektromagnetycznej przy jednoczesnym zawężeniu szerokości piku rezonansowego, co powoduje wzrost wartości współczynnika Q. Wewnętrzne wzmocnienie kompensuje straty wynikające z absorpcji promieniowania. Efekt wzmocnienia i zawężenia piku rezonansowego uzyskuje się poprzez domieszkowanie dielektrycznej matrycy nanocząstkami o własnościach plazmonicznych i kropkami kwantowymi. Nanocząstki metaliczne lub półprzewodnikowe o ujemnej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej - Re(ε)<0 znajdujące się w otoczeniu dielektrycznym o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε)>0 wykazują własności plazmoniczne. Pod wpływem oddziaływania z falą elektromagnetyczną, dla ściśle określonej częstości zależnej od rodzaju i wielkości nanocząstek, oraz od ich przenikalności elektrycznych i matrycy dielektrycznej, następuje sprzężenie pola fali z oscylacjami plazmy elektronowej w nanocząstkach. Efektem jest wzmocnienie pola elektromagnetycznego o częstości równej częstości plazmowej elektronów na granicy metal/półprzewodnik-dielektryk. Z kolei w wyniku oddziaływania pola indukowanego przez plazmoniczne nanocząstki z kropkami kwantowymi uzyskuje się wzmocnienie emisji kropek kwantowych, skrócenie czasu życia stanu wzbudzonego i zawężenie szerokości piku emisji kropek kwantowych, co powoduje wzrost wartość współczynnika dobroci Q.

Częstość linii emisyjnej pochodzącej od kropek kwantowych zależy głównie od składu chemicznego i średnicy kropek. Jednoczesne domieszkowanie matrycy dielektrycznej różnego rodzaju kropkami kwantowymi pozwala na uzyskanie mikrorezonatorów o różnych wartościach częstości rezonansowych.

Zawarte w objętości matrycy szklanej domieszki kropek kwantowych w połączeniu z nanocząstkami plazmonicznymi zwiększają-wartość dobroci Q mikrorezonatora WGM.

Podane poniżej przykłady ilustrują bliżej mikrorezonator WGM według wynalazku w konkretnych przypadkach jego wykonania, nie ograniczając zakresu jego stosowania, w oparciu o rysunki na których fig. 1 przedstawia zależność fotoluminescencji od długości fali w przypadku mikrorezonatora WGM domieszkowanego tylko kropkami kwantowymi CdTe, zaś fig. 2 - odpowiednio współdomieszkowanego kropkami kwantowymi CdTe i nanocząstkami srebra. Szeroki pik emisji w zakresie 500-800 nm pochodzi od kropek kwantowych. Współdomieszkowanie powoduje pojawienie się bardzo wąskiego piku z maksimum dla długości fali 510 nm. Istnienie lego piku jest wynikiem emisji ekscytonowej wzmocnionej poprzez wzrost promienistej rekombinacji stanów ekscytonowych w kropkach kwantowych w wyniku oddziaływania z indukowanym polem elektromagnetycznym w otoczeniu nanocząstek Ag.

P r z y k ł a d 1

Mikrorezonator WGM o sferycznym kształcie i o średnicy 30 μm, w którym matrycę stanowi szkło Na5B2P3O13 domieszkowane nanocząstkami srebra w ilości 0,4% wag i średnicy 20 nm, oraz kropkami kwantowymi CdTe o średnicy 3 nm w ilości 0,3% wag. Widmo luminescencji mikrorezonatora WGM zawiera szerokie pasmo o maksimum dla długości fali 590 nm, oraz wąskie pasmo z maksimum dla 510 nm.

P r z y k ł a d 2

Mikrorezonator WGM o sferycznym kształcie i o średnicy 30 μm, w którym matrycę stanowi szkło Na3Al2P3O13 domieszkowane nanocząstkami srebra w ilości 0,4% wag i średnicy 20 nm, oraz kropkami kwantowymi CdTe o średnicy 3 nm w ilości 0,3% wag. Widmo luminescencji mikrorezonatora WGM zawiera szerokie pasmo o maksimum dla długości fali 590 nm, oraz wąskie pasmo z maksimum dla 510 nm.

P r z y k ł a d 3

Mikrorezonator WGM o sferycznym kształcie i o średnicy 30 μm, w którym matrycę stanowi szkło Na5B2P3O13 domieszkowane nanocząstkami srebra w ilości 0,4% wag i średnicy 20 nm oraz kropkami

Claims

PL 240 811 B1 kwantowymi CdSe/ZnS o średnicy 3 nm i zawartości 0,3% wag. Widmo luminescencji mikrorezonatora WGM zawiera pasmo emisji w zakresie 600-700 nm z maksimum dla 662 nm.

P r z y k ł a d 4

Mikrorezonator WGM o sferycznym kształcie i o średnicy 30 μm w którym matrycę stanowi szkło o składzie 80% mol.TeO2-10%mol.ZnO-10%mol.Na2CO3 domieszkowane nanocząstkami srebra w ilości 0,4% wag i o średnicy 20 nm oraz kropkami kwantowymi CdTe o średnicy 3 nm w ilości 0,3% wag. Widmo luminescencji mikrorezonatora WGM zawiera szerokie pasmo o maksimum dla długości fali 590 nm, oraz wąskie pasmo z maksimum dla 510 nm.

P r z y k ł a d 5

Mikrorezonator WGM o sferycznym kształcie i o średnicy 30 μm, w którym matrycę stanowi szkło o składzie 80TeO2-10ZnO-10Na2CO3 domieszkowane kropkami kwantowymi, perowskitu CsPbBr3 o średnicy 10 nm w ilości 0,3% wag. Widmo luminescencji mikrorezonatora WGM zawiera wąskie pasmo emisji o maksimum dla długości fali 513 nm.

Zastrzeżenia patentowe

1. Mikrorezonator WGM zawierający w matrycy dielektrycznej nanocząstki metaliczne, jak też kropki kwantowe, znamienny tym, że w matrycy dielektrycznej o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε)>0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR i o niskich stratach dielektrycznych zawiera co najmniej jeden rodzaj nanocząstek metalicznych o ujemnej wartości części rzeczywistej przenikalności elektrycznej Re(ε)<0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR i/lub co najmniej jeden rodzaj luminescencyjnych półprzewodnikowych lub perowskitowych kropek kwantowych, przy czym nanocząstki metaliczne mają średnicę 10-50 nm, zaś średnica kropek kwantowych wynosi od 1 do 15 nm.
2. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1, znamienny tym, że jako matrycę dielektryczną zawiera niskotopliwe szkło nieorganiczne.
3. Mikrorezonator WGM według zastrz. 2, znamienny tym, że jako matrycę dielektryczną zawiera szkło fosforanowe.
4. Mikrorezonator WGM według zastrz. 3, znamienny tym, że matrycę stanowi szkło o składzie Na3Al2P3O12.
5. Mikrorezonator WGM według zastrz. 2, znamienny tym, że jako matrycę dielektryczną zawiera szkło o składzie Na5B2P3O13.
6. Mikrorezonator WGM według zastrz. 2, znamienny tym, że jako matrycę dielektryczną zawiera szkło tellurowe.
7. Mikrorezonator WGM według zastrz. 6, znamienny tym, że jako matrycę dielektryczną zawiera szkło o składzie 80%mol.TeO2-10%mol.ZnO-10%mol.Na2CO3.
8. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1, znamienny tym, że jako nanocząstki plazmoniczne zawiera nanocząstki metaliczne lub półprzewodnikowe o niskich stratach optycznych, czyli o urojonej wartości przenikalności elektrycznej lm(ε)<30F/m, oraz o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia matrycy.
9. Mikrorezonator WGM według zastrz. 8, znamienny tym, że jako nanocząstki metaliczne zawiera nanocząstki srebra.
10. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że w matrycy dielektrycznej zawiera 0,1- 1% wag. nanocząstek metalicznych.
11. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kropki kwantowe zawiera kropki kwantowe z materiału półprzewodnikowego, o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia matrycy.
12. Mikrorezonator WGM według zastrz. 11, znamienny tym, że jako kropki kwantowe zawiera kropki z materiału CdTe i/lub CdSe/ZnS, korzystnie o średnicy 1-6 nm.
13. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1, znamienny tym, że w matrycy dielektrycznej zawiera 0,2-0,6% wag. kropek kwantowych.
14. Mikrorezonator WGM według zastrz. 1, znamienny tym, że ma kształt sferyczny, a średnica mikrosfery wynosi 1-300 mikrometrów.